SOBRETENSIONES
Se denomina sobretension a toda elevación de la tensión por encima de la máxima tensión permitida de trabajo; generalmente son de carácter transitorio. La relación entre la sobretensión Us, y la tensión de servicio se llama factor de sobretensión que viene expresado por:
Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensión aunque, generalmente, en las primeras tienen menos importancia que en las últimas, debido a que en las instalaciones de alta tensión las propias condiciones de funcionamiento y de aislamiento favorecen la aparición de sobretensiones.
Según su origen se clasifican en sobretensiones externas y sobretensiones internas Sobretensiones Externas
Como su nombre lo indica, son las producidas por factores ajenos a la red, entre ellos:
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Inducción electrostática Carga progresiva de los conductores por rozamiento del aire circundante Carga producida por cortar diferentes superficies de nivel eléctrico Descargas atmosféricas o rayos
Inducción electrostática Generalmente causadas por la proximidad de una nube cargada positivamente a una línea eléctrica, induciendo en ésta, cargas eléctricas de signo contrario. Con la desaparición brusca de la carga de la nube (por descarga con otra nube o a tierra) se pueden generar sobretensiones. Esta circunstancia provoca en la línea la aparición de sobretensiones proporcionales a la carga, que se propagan a ambos lados de la línea en forma de ondas errantes y con la velocidad de la luz, que incluso pueden provocar descargas eléctricas, de naturaleza ondulatoria en los puntos mal aislados de la línea
Efecto de una nube cargada positivamente sobre una línea aérea
Carga progresiva de los conductores por rozamiento del aire circundante. Este tipo es muy parecido al caso anterior, y se produce cuando el aire está cargado de las partículas electrizadas contenidas (polvo, moléculas de agua, etc....), por rozamiento comunican su carga a los conductores. La cantidad de electricidad así aportada es proporcional a la longitud del conductor; esta tensión resulta también tanto mayor cuanto mejor aislados estén los conductores. Nota: Es muy importante tomar en cuenta que las líneas desenegizadas deben ser aterrizadas en varios puntos para evitar este tipo de sobretension Carga producida por cortar diferentes superficies de nivel eléctrico. Como la Tierra puede considerarse un cuerpo cargado, a diferentes alturas la superficie presenta niveles de potencial distintos, si un conductor atraviesa estas alturas (p.e. en las montañas) o cuando los conductores recorren comarcas llanas o casi llanas y si el aire está fuertemente cargado de electricidad, las superficies de nivel se deforman y las cargas inducidas en los conductores pueden alcanzar valores importantes. Se han observado diferencias de tensión de 50 a 250 V por metro de altura.
Descargas atmosféricas o rayos Son las más importantes entre las sobretensiones de origen externo y resultan de mayor importancia para las líneas de MT, pueden ser descargas directas e inducción producida por descargas atmosféricas. Se denomina descarga directa o rayo a la que se produce en caso de tormenta entre nube y nube o entre nube y tierra. Está caracterizada por las enormes tensiones puestas en acción, por las elevadas intensidades y por su pequeñísima duración.
Cuando ocurre la descarga, en el punto de contacto ocurrirá una rápida elevación de la tensión y se propagara en forma de onda viajera en ambas direcciones. Su duración oscila ente 1 y 10 µSeg y las ondas se propagan hasta que son atenuadas. El rayo puede deteriorar las instalaciones eléctricas de forma directa (rayo directo) o de forma indirecta (rayo indirecto). El caso más frecuente, y también el más peligroso, de rayo directo es cuando la descarga cae directamente en la línea. En este caso, la línea recibe bruscamente una tensión muy elevada, con lo que pueden producirse descargas a tierra a través de los postes o del cable de tierra, si se instala este elemento de protección. La experiencia ha demostrado que si la descarga se produce directamente sobre un poste, éste recibe aproximadamente el 60 % de la corriente del rayo y solamente el resto recorre el cable de tierra o la línea para repartirse según se indica en la citada figura siguiente:
Reparto de las corrientes a tierra en una línea aérea cuando la descarga directa se produce sobre un poste.
Si la descarga se produce en un vano entre dos postes, el reparto de las corrientes se realiza como está indicado en la figura siguiente:
Reparto de las corrientes a tierra en una línea aérea cuando la descarga directa se produce en el centro de un vano entre postes.
En los laboratorios la onda detención de los rayos se simula con la ayuda de una onda como la mostrada a continuación, llamada onda de choque.
Características de la onda de tensión de una descarga directa
La corriente desarrollada es una onda de choque de la forma expresada en la figura siguiente y que tiene las siguientes características: • • •
Duración del frente: de 1 a 10 microsegundos. Pendiente de crecimiento: de 5 a 12 kA/microsegundo. Duración de cresta media: de 10 a 50 microsegundos
Con esta onda se define lo que se conoce como el Nivel Básico de Impulso (BIL) que es la máxima tensión que puede soportar el aislamiento de un equipo sin deteriorarse. Sobretensiones Internas Son las producidas al variar las propias condiciones de servicio de la instalación. Se forman como consecuencia de las oscilaciones entre las energ ías de los campos magnético y eléctrico producidas por un arco intermitente, es decir arcos que se apagan al pasar la corriente alterna por cero, pero se vuelven a encender cuando la sinusoide de la tensión toma mayores valores. Se clasifican en sobretensiones dinámicas o de frecuencia industrial, también llamadas de servicio y sobretensiones transitorias de frecuencias medias también llamadas de maniobras.
Sobretensiones dinámicas Tienen su origen en a) las diversas fallas asimétricas a tierra. P.e. cuando el sistema esta solidamente aterrizado las mismas varían hasta 1.4 V f-f ; para sistemas aislados serán entre 1.73 y 2.1 V f-f, siendo su duración mas prolongada. b) En caso de perdida súbita de carga, en este caso el factor de sobretension puede ser de hasta 1.4. Sobretensiones transitorias de frecuencias medias Estas aparecen durante los procesos de conexión y/o desconexión ,“switcheo”, de: corto circuitos, trasformadores, reactores y líneas largas en vacío, en este caso para sistemas con el neutro solidamente aterrizado el factor de sobretension puede ser de entre 2.5 y 3; y para sistemas con el neutro aislado de hasta 5. El transitorio es, casi siempre, una oscilación amortiguada de frecuencia media y escasa duración. Por el contrario, la forma d e onda de las sobretensiones producidas por fenómenos estacionarios tienen una amplitud constante o casi constante; estas sobretensiones se desplazan por las líneas y aparatos en forma de ondas de choque, llamadas también ondas errantes.
Otra causa de sobretensiones internas son las provocadas por fallas en el aislamiento. Por ejemplo, en un sistema trifásico si se aterriza una de las fases, la tensión fase-tierra en las restantes tendrá un factor de sobretension se puede calcular como sigue: Sd= √ 3*(K2+K+1)/(k+2) K= Xo/Xd Donde Xo: Reactancia de secuencia cero Xd: reactancia directa de la red, vista desde el punto de la falla. Si el sistema es con el neutro aislado, Xo tiende a ∞ y Sd= √ 3/2 Si el sistema es con el neutro solidamente aterrizado, Xo=Xd y K=1, entonces Sd=√ 3
En general, cuando se produce un cortocircuito se origina una sobretensión expresada por la ecuación
procedente de la transformación de la energía magnética potencial
en energía eléctrica :
Esta sobretensión alcanza un valor tanto más elevado cuanto más rápida sea la apertura del circuito. Para limitar las sobretensiones se utilizan básicamente dos métodos: el uso de hilos de guarda y los descargadores de sobretension o pararrayos.
